DE102018122675A1 - Thermal system of a motor vehicle and method of operating the thermal system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein thermisches System (1, 1a, 1b, 1c) zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Thermomanagementsystem. Das System (1, 1a, 1b, 1c) weist einen Kältemittelkreislauf (2, 2a, 2b, 2c) mit einem Verdichter (3), einem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) zum Übertragen von Wärme mit Umgebungsluft, welcher als Kondensator/Gaskühler und Verdampfer betreibbar ausgebildet ist, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) mit einem vorgelagerten ersten Expansionsorgan (6) sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (12) mit einem vorgelagerten zweiten Expansionsorgan (13) auf. Der Kältemittelkreislauf (2, 2a, 2b, 2c) ist zudem mit einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (14) zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einem dritten Expansionsorgan (15), welche zwischen dem Verdichter (3) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (4) angeordnet sind, ausgebildet. Das dritte Expansionsorgan (15) ist dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (14) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet.
Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben des thermisches System (1, 1a, 1b, 1c).
The invention relates to a thermal system (1, 1a, 1b, 1c) for conditioning the supply air for a passenger compartment and for cooling components of a drive train of a motor vehicle, in particular a thermal management system. The system (1, 1a, 1b, 1c) has a refrigerant circuit (2, 2a, 2b, 2c) with a compressor (3), a first refrigerant-air heat exchanger (4) for transferring heat with ambient air, which as a condenser / Gas cooler and evaporator is operable, a first evaporator operated second refrigerant-air heat exchanger (5) with an upstream first expansion element (6) and a second evaporator operated as a heat exchanger (12) with an upstream second expansion element (13). The refrigerant circuit (2, 2a, 2b, 2c) is also equipped with a condenser / gas cooler operated third refrigerant-air heat exchanger (14) for heating the supply air for the passenger compartment and a third expansion element (15) which between the compressor (3 ) and the first refrigerant-air heat exchanger (4) are formed. The third expansion element (15) is arranged downstream of the third refrigerant-air heat exchanger (14) in the flow direction of the refrigerant.
The invention also relates to methods for operating the thermal system (1, 1a, 1b, 1c).
Description
Die Erfindung betrifft ein thermisches System zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs, insbesondere ein Thermomanagementsystem, eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältem ittelkreislauf.
Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben sowie eine Verwendung des thermischen Systems.The invention relates to a thermal system for conditioning the supply air for a passenger compartment and for cooling components of a drive train, in particular a thermal management system, a motor vehicle with a refrigeration ittelkreislauf.
The invention also relates to methods of operation and to a use of the thermal system.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des in einem Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erzeugen nicht genug Abwärme, um insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Luft des Fahrgastraums den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen beziehungsweise das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau zu erreichen und den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb, kurz als HEV bezeichnet.In known from the prior art motor vehicles, the waste heat of the engine is used to heat the supply air for the passenger compartment. The waste heat is transported by means of circulated in an engine coolant circuit coolant to the air conditioner and transmitted there via the heating heat exchanger to the air flowing into the passenger compartment. Known systems with coolant-air heat exchanger, which relate the heating power from the coolant circuit of an efficient internal combustion engine of the vehicle drive, do not generate enough waste heat to heat in particular at low ambient temperatures, the air of the passenger compartment according to the requirements of thermal comfort or that for a comfortable heating reach the required level of the passenger compartment and cover the overall heat demand of the passenger compartment. The same applies to systems in motor vehicles with hybrid drive, that is motor vehicles with both electric motor and internal combustion engine drive, abbreviated as HEV.
Zudem besteht der Trend zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebs, wie zum Beispiel bei rein elektromotorisch mit Batterien oder Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen, das heißt Elektrofahrzeugen, kurz als EV bezeichnet. Dabei entfällt die Abwärme des Verbrennungsmotors als mögliche Wärmequelle für die Erwärmung der Luft.
Die in der Batterie des Fahrzeugs speicherbare Energiemenge ist außerdem geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraums eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs benötigte Leistung zudem einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs. Das Klimatisierungssystem eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs übt einen sehr großen Einfluss auf die Effizienz des Betriebs des Kraftfahrzeugs und dessen Energieverbrauch aus.In addition, there is a trend toward complete electrification of the drive, such as in vehicles driven purely by electric motor with batteries or fuel cells, that is, electric vehicles, referred to as EV for short. This eliminates the waste heat of the internal combustion engine as a possible heat source for the heating of the air.
The amount of energy that can be stored in the battery of the vehicle is also lower than the amount of energy that can be stored in the form of liquid fuel within the fuel tank. Thus, the power required for the air conditioning of the passenger compartment of an electrically driven vehicle also has a significant influence on the range of the vehicle. The air conditioning system of an electrically driven motor vehicle exerts a very great influence on the efficiency of the operation of the motor vehicle and its energy consumption.
Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Herkömmliche Systeme mit einem ausschließlich zum Abkühlen der Luft ausgebildeten Kältemittelkreislauf in Kombination mit einer elektrischen Widerstandsheizung weisen einen hohen Energieverbrauch bei gleichzeitig geringen Ausblastemperaturen der Zuluft für den Fahrgastraum, insbesondere in Regionen mit geringen Temperaturen der Umgebungsluft, auf.If the total heat demand of the passenger compartment can not be covered by the heat from the engine coolant circuit, additional heating measures, such as electrical resistance heaters, briefly referred to as PTC resistor for "Positive Temperature Coefficient - Thermistor" or fuel heater, are required. Conventional systems with an exclusively designed for cooling the air refrigerant circuit in combination with an electrical resistance heater have a high energy consumption with low outlet temperatures of the supply air for the passenger compartment, especially in regions with low ambient air temperatures on.
Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum stellt ein Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion, auch als eine Wärmepumpe bezeichnet, mit Luft als Wärmequelle dar, bei welchem der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient. Der Kältemittelkreislauf beansprucht dabei deutlich mehr Bauraum, als ein zum reinen Abkühlen der Luft ausgebildeter Kältemittelkreislauf in Kombination mit einer elektrischen Widerstandsheizung.
Ein Klimatisierungssystem mit nachgeschalteter elektrischer Widerstandsheizung ist zwar kostengünstig herzustellen und ist in beliebigen Kraftfahrzeugen zu verwenden, weist jedoch einen sehr großen Bedarf an elektrischer Energie auf, da die Zuluft für den Fahrgastraum beim Überströmen eines Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zunächst abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels der elektrischen Widerstandsheizung, welche die Wärme direkt an die Zuluft oder einen Kühlmittelkreislauf überträgt, erwärmt wird.
Der Betrieb eines als Wärmepumpe zu betreibenden herkömmlichen Kältemittelkreislaufs ist zwar effizient, benötigt jedoch sehr viel Bauraum, auch an Positionen innerhalb des Kraftfahrzeugs, welche keine Bauraumvorhaltung für die Klimatisierung aufweisen. Im Wärmepumpenmodus betreibbare Kältemittelkreisläufe sind zum einen auch aufgrund der Vielzahl der Komponenten, wie Wärmeübertrager und dafür nötige Ventile beziehungsweise Expansionsorgane, sehr komplex. Zum anderen weisen die Kältemittelkreisläufe sogenannte Außenwärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft und zum Verdampfen des Kältemittels auf, bei welchen im Vergleich zum Betrieb im Kälteanlagenmodus eine Umkehr der Strömungsrichtung des Kältemittels für den Betrieb im Wärmepumpenmodus notwendig ist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels kann jedoch ausschließlich bei deaktiviertem Verdichter des Kältemittels umgekehrt werden, was zu einem ungewollten Verringern oder Vergrößern der Ausblastemperatur der Zuluft für den Fahrgastraum führen kann.A more efficient way to heat the air for the passenger compartment is an air conditioning system with a refrigerant circuit with heat pump function, also referred to as a heat pump, with air as the heat source, in which the refrigerant circuit serves both as a single heating and Zuheizmaßnahme. The refrigerant circuit takes up much more space than a refrigerant circuit designed for cooling the air in combination with electrical resistance heating.
Although an air conditioning system with downstream electrical resistance heating is inexpensive to manufacture and is used in any motor vehicles, but has a very large demand for electrical energy, since the supply air for the passenger compartment when overflowing an evaporator of the refrigerant circuit initially cooled and / or dehumidified and then by means the electrical resistance heating, which transfers the heat directly to the supply air or a coolant circuit, is heated.
Although the operation of a conventional refrigerant circuit to be operated as a heat pump is efficient, it requires a great deal of installation space, even at positions inside the motor vehicle which have no installation space provision for the air conditioning. In the heat pump mode operable refrigerant circuits are on the one hand due to the large number of components, such as heat exchangers and necessary valves or expansion organs, very complex. On the other hand, the refrigerant circuits on so-called outdoor heat exchanger for receiving heat from the ambient air and for evaporation of the refrigerant, in which compared to the operation in the refrigeration system, a reversal of the flow direction of the refrigerant for operation in heat pump mode is necessary. However, the flow direction of the refrigerant can be reversed only when the compressor of the refrigerant is deactivated, which can lead to an unwanted decrease or increase the discharge temperature of the supply air for the passenger compartment.
Allen Klimatisierungssystemen von Kraftfahrzeugen mit einem als Wärmepumpe zu betreibenden Kältemittelkreislauf ist zu eigen, dass bei einem Betrieb im Kälteanlagenmodus die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum oder einem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs, wie der Traktionsbatterie, aufgenommen wird. In einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager wird die bei der Verdampfung aufgenommene Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Bei einem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus wird die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme aus einer Abwärmequelle, wie der Umgebungsluft oder dem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise zum Temperieren elektrischer Komponenten des Antriebsstrangs, aufgenommen. In einem als sogenannten Innenraum- oder Fahrgastraum-Kondensator/Gaskühler angeordneten Wärmeübertrager wird die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau an die Zuluft des Fahrgastraums abgegeben.All air conditioning systems of motor vehicles with a heat pump to be operated refrigerant circuit is peculiar that when operating in the refrigeration system, the heat required for evaporation of the refrigerant from the supply air for the passenger compartment or a Coolant circuit, for example, for controlling the temperature of electrical components of the drive train, such as the traction battery is recorded. In a heat exchanger operated as a condenser / gas cooler, the heat absorbed during the evaporation is released to the environment at a higher temperature level. In an operation of the refrigerant circuit in the heat pump mode, the heat required for the evaporation of the refrigerant heat from a waste heat source, such as the ambient air or the coolant circuit, for example, for controlling the temperature of electrical components of the drive train, recorded. In a so-called interior or passenger compartment condenser / gas cooler arranged heat exchanger, the heat is released at a high temperature level to the supply air of the passenger compartment.
Zum Stand der Technik gehörende Luft-Luft-Wärmepumpen, welche für den kombinierten Kälteanlagenmodus und Wärmepumpenmodus, das heißt für einen Heizmodus, sowie für einen Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, ausgebildet sind und die Wärme aus der Umgebungsluft aufnehmen, wird das Kältemittel durch die Aufnahme der Wärme aus der Umgebungsluft verdampft, welche in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager entweder direkt oder in einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und damit indirekt an das Kältemittel übertragen wird. Die Umgebungsluft dient folglich als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels. Die Leistung und Effizienz des Systems ist insbesondere davon abhängig, wie viel Wärme auf welchem Temperaturniveau zur Verdampfung des Kältemittels zur Verfügung steht.
Die herkömmlichen Luft-Luft-Wärmepumpen weisen neben dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft, einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf. Die Leistungen werden jeweils zwischen dem Kältemittel und Luft übertragen.
Im sogenannten „Reheat“- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.Related to the prior art air-to-air heat pumps, which are for the combined refrigeration system mode and heat pump mode, that is, for a heating mode, as well as for a Nachheizmodus, also referred to as reheat mode, formed and absorb the heat from the ambient air, the refrigerant vaporized by the absorption of heat from the ambient air, which is transmitted in a refrigerant-air heat exchanger either directly or in a refrigerant-refrigerant heat exchanger and thus indirectly to the refrigerant. The ambient air thus serves as a heat source for the evaporation of the refrigerant. The performance and efficiency of the system depends in particular on how much heat is available at which temperature level for evaporating the refrigerant.
The conventional air-to-air heat pumps have, in addition to the heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and the ambient air, a heat exchanger for supplying heat from the conditioned air of the passenger compartment to the refrigerant and a heat exchanger for heat transfer from the refrigerant to the conditioned air for the passenger compartment , The services are transferred between the refrigerant and the air.
In the so-called "reheat" or post-heating mode, the air to be supplied to the passenger compartment is cooled, dehumidified and then slightly heated again. In this operating mode, the required reheating power is lower than the required cooling capacity for cooling and dehumidifying the air.
Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft der Luft-Luft-Wärmepumpe, auch als Umgebungswärmeübertrager bezeichnet, ist dabei außerhalb des Gehäuses des Klimatisierungssystems, speziell außerhalb des Klimagerätes, an der Frontseite des Kraftfahrzeugs angeordnet und wird insbesondere durch den Fahrtwind mit Luft beaufschlagt. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus wird der Umgebungswärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft und beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme vom Kältemittel aus der Umgebungsluft betrieben.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus und Umgebungsluft als Wärmequelle besteht bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsfläche des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, was die Leistung des Wärmeübertragers begrenzt. Als Folge der Aufnahme der Wärme aus der Luft steigt die relative Luftfeuchtigkeit der abgekühlten Luft an. Beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur wird der in der Luft vorhandene Wasserdampf auskondensiert und als Wasser an der Wärmeübertragungsfläche abgeschieden. Das an der Wärmeübertragungsfläche aus der Luft auskondensierte Wasser wird bei Oberflächentemperaturen im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C zu Eis erstarren. Die zunehmende Eisschicht verringert die luftseitige Wärmeübertragungsfläche sowie den luftseitigen Wärmeübergang und damit die übertragbare Leistung zwischen der Luft und dem verdampfenden Kältemittel, was zu einer Verringerung der Effizienz des gesamten Klimatisierungssystems führt. Üblicherweise ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der in den Umgebungswärmeübertrager eintretenden Luft und der Temperatur des Kältemittels begrenzt, was wiederum die maximal aus der Umgebungsluft aufnehmbare Wärme einschränkt.
Infolge der notwendigen Vermeidung einer Vereisung der Wärmeübertragungsfläche des Umgebungswärmeübertragers ist es bei Temperaturen der Luft im Bereich von 0°C und unterhalb von 0°C auch bei als Luft-Luft-Wärmepumpen ausgebildeten Klimatisierungssystemen nicht möglich, den Fahrgastraum ausreichend zu beheizen, wenn ausschließlich die Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt wird, sodass Zuheizmaßnahmen erforderlich sind. In Betracht kommende elektrische Widerstandsheizungen sind nicht energieeffizient und werden zudem nur selten in Betrieb genommen.The heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and the ambient air of the air-to-air heat pump, also referred to as ambient heat exchanger, is outside the housing of the air conditioning system, especially outside the air conditioner, arranged on the front side of the motor vehicle and is particularly acted upon by the airstream with air , When operating the refrigerant circuit in the refrigeration system mode, the ambient heat exchanger is operated as a condenser / gas cooler for heat transfer from the refrigerant to the ambient air and the operation of the refrigerant circuit in the heat pump mode as an evaporator for heat absorption from the refrigerant from the ambient air.
When operating the refrigerant circuit in the heat pump mode and ambient air as a heat source at temperatures of air in the range of 0 ° C and below 0 ° C, the risk of icing of the heat transfer surface of the operated as an evaporator heat exchanger, which limits the performance of the heat exchanger. As a result of the absorption of heat from the air, the relative humidity of the cooled air increases. When falling below the dew point of the water vapor present in the air is condensed out and deposited as water on the heat transfer surface. The water condensed out of the air at the heat transfer surface solidifies to ice at surface temperatures in the range of 0 ° C and below 0 ° C. The increasing ice sheet reduces the air side heat transfer surface as well as the air side heat transfer and thus the transferable power between the air and the evaporating refrigerant, which leads to a reduction in the efficiency of the entire air conditioning system. Usually, the maximum temperature difference between the temperature of the entering into the ambient heat exchanger air and the temperature of the refrigerant is limited, which in turn limits the maximum of the ambient heat absorbable heat.
Due to the necessary avoidance of icing of the heat transfer surface of the ambient heat exchanger, it is not possible at temperatures of air in the range of 0 ° C and below 0 ° C even when designed as air-to-air heat pumps air conditioning systems to heat the passenger compartment sufficiently, if only the Ambient air is used as a heat source, so that additional heating measures are required. Eligible electrical resistance heaters are not energy efficient and are rarely commissioned.
Um den Energieverbrauch und die Effizienz des Betriebes des Kraftfahrzeugs zu erhöhen, werden herkömmliche Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche verschiedene Wärmequellen nutzen können. Dabei weisen insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb beziehungsweise einen zusätzlichen Kühlbedarf auf. Auch um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie, welche üblicherweise im Bereich von 0°C bis 35°C, insbesondere zwischen 20°C und 35°C, liegen, einzuhalten, werden bevorzugt Systeme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche zum Umsetzen aktiver Kühlkonzepte und Heizkonzepte dienen. Die zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs sind beispielsweise als Wärmequellen nutzbar.
Dabei ist der Kältemittelkreislauf der aus dem Stand der Technik bekannten Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion niederdruckseitig zumeist mit einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, auch als Chiller bezeichnet, ausgebildet, welcher einen Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs mit dem Kältemittelkreislauf thermisch verbindet. Das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel kann als Wärmequelle für das Kältemittel genutzt werden. Mit dem sogenannten Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf kann über einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager die vom Kühlmittel aufgenommene Abwärme auch direkt an die Umgebung übertragen werden, ohne den Kältemittelkreislauf zu betreiben. Aufgrund der Vielzahl der für so ein solches Klimatisierungssystem vorzusehenden Komponenten erhöhen sich mit der Komplexizität auch die Systemkosten des Kraftfahrzeugs.In order to increase the energy consumption and the efficiency of the operation of the motor vehicle, conventional air conditioning systems are used with heat pump function, which can use different heat sources. In particular, electric vehicles or hybrid vehicles due to training with additional components such as a high-voltage battery, an internal charger, a transformer, an inverter and the electric motor, usually a higher refrigeration demand than motor vehicles with a pure internal combustion engine drive or an additional Cooling demand on. In order in particular to comply with the permitted temperature limits of the high-voltage battery, which are usually in the range of 0 ° C to 35 ° C, in particular between 20 ° C and 35 ° C, systems with heat pump function are preferably used, which implement active cooling concepts and heating concepts serve. The additional components of the electric drive train can be used, for example, as heat sources.
In this case, the refrigerant circuit of the known from the prior art air conditioning systems with heat pump function low pressure side usually with a refrigerant-refrigerant heat exchanger, also referred to as a chiller, which connects a coolant circuit for controlling the temperature of the components of the electric drive train with the refrigerant circuit thermally. The circulating coolant in the coolant circuit can be used as a heat source for the refrigerant. With the so-called low-temperature coolant circuit, the waste heat absorbed by the coolant can also be transferred directly to the environment via a low-temperature heat exchanger, without operating the refrigerant circuit. Due to the large number of components to be provided for such an air conditioning system, the complexities also increase the system costs of the motor vehicle.
In der
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines thermischen Systems oder Klimatisierungssystems mit ausreichender Kälteleistung und ausreichender Wärmeleistung für die Zuluft des Fahrgastraums, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen oder einem kombinierten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antrieb. Das System soll im Vergleich zu bekannten Systemen ein vielfältiges Potential an möglichen Betriebsmodi mit einer minimalen Anzahl an Komponenten des Kältemittelkreislaufs, wie Wärmeübertrager und Expansionsorgane, aufweisen. Damit soll unter minimalem monetären Aufwand beispielsweise die potentielle Reichweite von insbesondere elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen maximiert werden. Dabei soll das System, insbesondere der Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktionalität, sehr gut regelbar und in allen möglichen Betriebsmodi sowie unter allen möglichen Außenbedingungen und Bedarfsfällen optimal und effizient betreibbar sein. Der Verbrauch an elektrischer Energie während des Betriebs soll minimal sein.
Zudem sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum des Systems minimal sein.The object of the invention is to provide a thermal system or air conditioning system with sufficient cooling capacity and sufficient heat output for the supply air of the passenger compartment, in particular for motor vehicles with an electric or a combined electric and internal combustion engine drive. The system should have a diverse potential of possible operating modes with a minimum number of components of the refrigerant circuit, such as heat exchangers and expansion devices, compared to known systems. This is intended, for example, to maximize the potential range of, in particular, electrically powered motor vehicles with minimal monetary outlay. In this case, the system, in particular the refrigerant circuit with heat pump functionality, very well controllable and be optimally and efficiently operable in all possible operating modes and under all possible external conditions and needs. The consumption of electrical energy during operation should be minimal.
In addition, the manufacturing, maintenance and operating costs and the required installation space of the system should be minimal.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und die Verfahren mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by the subject matter and the method having the features of the independent patent claim. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes thermisches System zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zum Kühlen von Komponenten eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Thermomanagementsystem, gelöst. Dabei können die Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems als Wärmequelle dienen.
Das thermische System weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem ersten, als Kondensator/Gaskühler und Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, einem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten ersten Expansionsorgan sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten zweiten Expansionsorgan auf.
Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager kann je nach Bedarf und Betriebsmodus des Systems, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, entweder als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betrieben werden. Dabei wird der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager vorteilhaft unabhängig vom Betriebsmodus des Systems unidirektional beziehungsweise monodirektional vom Kältemittel durchströmt.
Wenn die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb erfolgt, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.The object is achieved by an inventive thermal system for conditioning the supply air for a passenger compartment and for cooling components of a drive train of a motor vehicle, in particular a thermal management system. The components of the drive train of the motor vehicle can serve as a heat source depending on the needs and operating mode of the system.
The thermal system has a refrigerant circuit with a compressor, a first, as condenser / gas cooler and evaporator operable refrigerant-air heat exchanger, operated as a first evaporator second refrigerant-air heat exchanger with an upstream in the flow direction of the refrigerant first expansion element and a second Evaporator operated heat exchanger with a upstream in the flow direction of the refrigerant second expansion element.
The first refrigerant-air heat exchanger can be operated either as an evaporator or as a condenser / gas cooler depending on the needs and operating mode of the system, in particular the refrigerant circuit. In this case, the refrigerant-air flow through the first refrigerant-air heat exchanger advantageously independent of the operating mode of the system unidirectional or monodirectional.
If the liquefaction of the refrigerant occurs in subcritical operation, such as with the refrigerant R134a or in certain ambient conditions with carbon dioxide, the heat exchangers are referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. In supercritical operation or supercritical heat in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant steadily decreases. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler. Supercritical operation may occur under certain environmental conditions or operations of the refrigerant cycle with, for example, the refrigerant carbon dioxide.
Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf zudem einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum sowie ein drittes Expansionsorgan auf, welche zwischen dem Verdichter und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet sind. Dabei ist das dritte Expansionsorgan dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet.According to the concept of the invention, the refrigerant circuit also has a condenser / gas cooler operated third refrigerant air heat exchanger for heating the supply air for the passenger compartment and a third expansion element, which are arranged between the compressor and the first refrigerant-air heat exchanger. In this case, the third expansion element is arranged downstream of the third refrigerant-air heat exchanger in the flow direction of the refrigerant.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der als erster Verdampfer betriebene zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan innerhalb eines ersten Strömungspfades und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem zweiten Expansionsorgan innerhalb eines zweiten Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Die Strömungspfade sind sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle des Kältemittelkreislaufs erstreckend, parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet.According to a development of the invention, the first evaporator operated second refrigerant-air heat exchanger with the first expansion element within a first flow path and operated as a second evaporator heat exchanger with the second expansion element within a second flow path of the refrigerant circuit are arranged. The flow paths are in each case extending from a branch point to an opening point of the refrigerant circuit, arranged parallel to one another and, depending on requirements, individually or in parallel with one another with refrigerant.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen Bypass-Strömungspfad um den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Der Bypass-Strömungspfad ist sich von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckend, parallel zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Die Abzweigstelle des Bypass-Strömungspfades ist vorzugsweise zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem dritten Expansionsorgan ausgebildet. Die Mündungsstelle des Bypass-Strömungspfades ist vorteilhaft zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem ersten Expansionsorgan beziehungsweise dem zweiten Expansionsorgan, das heißt in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der Mündungsstelle der Strömungspfade mit den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern, angeordnet.
Innerhalb des Bypass-Strömungspfades ist vorzugsweise ein Ventil zum Öffnen und Verschließen des Bypass-Strömungspfades ausgebildet.According to a preferred embodiment of the invention, the refrigerant circuit has a bypass flow path around the first refrigerant-air heat exchanger. The bypass flow path is extending from a branch point to an orifice point, arranged parallel to the first refrigerant-air heat exchanger. The branch point of the bypass flow path is preferably formed between the third refrigerant-air heat exchanger and the third expansion element. The discharge point of the bypass flow path is advantageously arranged between the first refrigerant-air heat exchanger and the first expansion element or the second expansion element, that is to say in the flow direction of the refrigerant upstream of the discharge point of the flow paths with the heat exchangers operated as evaporators.
Within the bypass flow path, a valve for opening and closing the bypass flow path is preferably formed.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Abzweigstelle des Bypass-Strömungspfades als ein kombiniertes Drei-Wege-Ventil mit Expansionsfunktionalität in Richtung des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers sowie mit Absperrfunktionalität in Richtung des Bypass-Strömungspfades ausgebildet ist. Damit sind das dritte Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs und das Ventil des Bypass-Strömungspfades mit der Abzweigstelle des Bypass-Strömungspfades in einer Komponente integriert.A particular advantage of the invention is that the branch point of the bypass flow path is designed as a combined three-way valve with expansion functionality in the direction of the first refrigerant-air heat exchanger and with shut-off functionality in the direction of the bypass flow path. Thus, the third expansion element of the refrigerant circuit and the valve of the bypass flow path are integrated with the branch point of the bypass flow path in a component.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet und innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs angeordnet. Der Kühlmittelkreislauf weist einen Wärmeübertrager zum Aufnehmen von Wärme der Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere zum Kühlen der Komponenten des Antriebsstrangs, auf.According to a preferred embodiment of the invention, the second heat exchanger operated as a heat exchanger is designed as a refrigerant-refrigerant heat exchanger and arranged within a coolant circuit. The coolant circuit has a heat exchanger for receiving heat from the components of the drive train, in particular for cooling the components of the drive train.
Zudem kann der Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager ausgebildet sein. Unter dem inneren Wärmeübertrager ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation oder Verflüssigung weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt. Der innere Wärmeübertrager ist niederdruckseitig innerhalb des ersten Strömungsfades in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet.In addition, the refrigerant circuit may be formed with an internal heat exchanger. Under the internal heat exchanger is an internal circulation heat exchanger to understand, which serves the heat transfer between the refrigerant at high pressure and the refrigerant at low pressure. In this case, for example, on the one hand, the liquid refrigerant after the condensation or liquefaction further cooled and on the other hand, the suction gas overheated in front of the compressor. The inner heat exchanger is arranged on the low pressure side within the first flow path in the flow direction of the refrigerant after the operated as an evaporator second refrigerant-air heat exchanger.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig zwischen der Mündungsstelle des Bypass-Strömungspfades und der Abzweigstelle der Strömungspfade mit den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern angeordnet.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der Mündungsstelle des Bypass-Strömungspfades angeordnet.
Nach einer dritten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig innerhalb des ersten Strömungsfades in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem ersten Expansionsorgan angeordnet.According to a first alternative embodiment of the invention, the inner heat exchanger is arranged on the high pressure side between the discharge point of the bypass flow path and the branch point of the flow paths with the heat exchangers operated as an evaporator.
According to a second alternative embodiment of the invention, the inner heat exchanger is arranged on the high pressure side between the first refrigerant-air heat exchanger and the discharge point of the bypass flow path.
According to a third alternative embodiment of the invention, the inner heat exchanger is arranged on the high pressure side within the first flow path in the flow direction of the refrigerant upstream of the first expansion element.
Des Weiteren kann der Kältemittelkreislauf mit einem niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammler, auch als Akkumulator bezeichnet, ausgebildet sein.Furthermore, the refrigerant circuit may be formed with a low-pressure side arranged refrigerant collector, also referred to as an accumulator.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das thermische System ein Klimagerät mit einem Gebläse zum Fördern der Zuluft für den Fahrgastraum durch ein Gehäuse auf. Dabei ist der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise den gesamten Strömungsquerschnitt des Gehäuses einnehmend ausgebildet.
Das Gehäuse weist bevorzugt einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit der Zuluft beaufschlagbar ausgebildet sind. Innerhalb des ersten Strömungspfades sind vorteilhaft in Strömungsrichtung der Zuluft der dritte Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und ein Zusatzheizwärmeübertrager angeordnet. Der zweite Strömungspfad ist dabei als ein Bypass zum ersten Strömungspfad vorgesehen.According to a development of the invention, the thermal system on an air conditioner with a blower for conveying the supply air for the passenger compartment through a housing. In this case, the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit is preferably formed engaging the entire flow cross-section of the housing.
The housing preferably has a first flow path and a second flow path, which are arranged parallel to one another and, depending on requirements, can be acted upon individually or in parallel with the supply air. Within the first flow path, the third refrigerant-air heat exchanger and an auxiliary heating heat exchanger are advantageously arranged in the flow direction of the supply air. The second flow path is provided as a bypass to the first flow path.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines konzeptionsgemäßen thermischen Systems, insbesondere eines Thermomanagementsystems, eines Kraftfahrzeugs für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus und in einem Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft eines Fahrgastraums gelöst. The object is also achieved by an inventive method for operating a conceptional thermal system, in particular a thermal management system, a motor vehicle for operation in a refrigeration system mode, in a heat pump mode and in a Nachheizmodus for conditioned supply air of a passenger compartment.
Nach einer Konzeption der Erfindung wird das Kältemittel beim Betrieb des Systems in einem Wärmepumpenmodus oder Nachheizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums beim Durchströmen des zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordneten dritten Expansionsorgans von einem Hochdruckniveau auf ein Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen des als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft verdampft. Dabei wird beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen.According to one conception of the invention, when the system is operating in a heat pump mode or afterheating mode, the refrigerant is heated from a high pressure level to the passenger compartment supply air flowing through the third expansion device located between the third refrigerant air heat exchanger and the first refrigerant air heat exchanger Low pressure level relaxed and vaporized while flowing through the operated as an evaporator first refrigerant air heat exchanger with absorption of heat from the ambient air. In this case, heat is transferred from the refrigerant to the supply air for the passenger compartment when flowing through the third refrigerant-air heat exchanger.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Massenstrom des Kältemittels durch vollständiges Öffnen des dem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und/oder dem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager vorgelagerten Expansionsorgans ohne Druckverlust zum Verdichter geleitet.According to a development of the invention, a mass flow of the refrigerant is conducted to the compressor by completely opening the second refrigerant-air heat exchanger operated as the first evaporator and / or the heat exchanger upstream as the second evaporator without pressure loss.
Nach einer weiteren Konzeption der Erfindung wird das Kältemittel beim Betrieb des Systems in einem Wärmepumpenmodus oder Nachheizmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums durch den Bypass-Strömungspfad um den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet und beim Durchströmen des als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme aus der Zuluft und/oder des als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme von den Komponenten des Antriebsstrangs verdampft. Dabei wird beim Durchströmen des dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers Wärme vom Kältemittel an die Zuluft für den Fahrgastraum übertragen.According to a further concept of the invention, the refrigerant is passed during operation of the system in a heat pump mode or Nachheizmodus for heating the supply air of the passenger compartment through the bypass flow path to the first refrigerant-air heat exchanger and the flow of the first evaporator operated as the second refrigerant air Heat exchanger vaporized by absorbing heat from the supply air and / or operated as a second evaporator heat exchanger with the absorption of heat from the components of the drive train. In this case, heat is transferred from the refrigerant to the supply air for the passenger compartment when flowing through the third refrigerant-air heat exchanger.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Massenstrom des Kältemittels durch Stellung der dem als erster Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie dem als zweiter Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager vorgelagerten Expansionsorgane auf die Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum und/oder Komponenten des Antriebsstrangs aufgeteilt.According to a preferred embodiment of the invention, a mass flow of the refrigerant by position of the first evaporator operated second refrigerant-air heat exchanger and the second evaporator operated heat exchanger upstream expansion elements on the heat exchanger for receiving heat from the supply air for the passenger compartment and / or Split components of the powertrain.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung des thermischen Systems als ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Konditionieren von Komponenten des Antriebsstrangs und elektronischen Komponenten.The advantageous embodiment of the invention allows the use of the thermal system as an air conditioning system of a motor vehicle for conditioning the supply air for the passenger compartment and for conditioning components of the drive train and electronic components.
Das erfindungsgemäße thermische System und die Verfahren zum Betreiben des Systems weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - das in unterschiedlichen Betriebspunkten, insbesondere bei einem Betrieb im Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus oder Nachheizmodus, effizient betreibbare Wärmemanagementsystem führt zu einem geringeren Energieverbrauch und damit zu einer höheren Reichweite des Kraftfahrzeugs,
- - stufenloser Wechsel zwischen den Betrieben im Wärmepumpenmodus beziehungsweise Heizmodus und Kälteanlagenmodus ohne Abschalten des Verdichters,
- - hoher Grad der Abwärmenutzung, insbesondere der Komponenten des Antriebsstranges als Wärmequelle, mit großer möglicher Heizleistung, dabei sind zudem die Werte des Drucks des Kältemittels bei der Verdampfung beziehungsweise des Saugdrucks und damit der Saugdichte hoch, sodass auch der Massenstrom des Kältemittels groß ist,
- - einfach konzipiertes System mit minimaler Anzahl an Komponenten sowie minimalem Bauraum, unter anderem ohne Umkehr der Strömungsrichtung des Kältemittels im als Kondensator/Gaskühler oder Verdampfer betreibbaren Umgebungswärmeübertrager,
- - damit einfaches Ölmanagementsystem durch Vermeiden von Ölfallen und
- - geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
- the thermal management system operable efficiently at different operating points, in particular when operating in heat pump mode or heating mode or reheating mode, leads to a lower energy consumption and thus to a higher range of the motor vehicle,
- - continuous change between the plants in heat pump mode or heating mode and refrigeration system mode without switching off the compressor,
- high degree of waste heat utilization, in particular of the components of the drive train as heat source, with great possible heating power, besides, the values of the pressure of the refrigerant in the evaporation or the suction pressure and thus the suction density are high, so that the mass flow of the refrigerant is large,
- a simply designed system with a minimal number of components and minimal installation space, including without reversing the direction of flow of the refrigerant in the ambient heat exchanger which can be operated as a condenser / gas cooler or evaporator,
- - For easy oil management system by avoiding oil traps and
- - low production and maintenance costs as well as during operation.
Das thermische System beziehungsweise das Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf, ist unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.The thermal system or the air conditioning system, in particular the refrigerant circuit, is independent of the refrigerant used and thus also designed for R134a, R744, R1234yf or other refrigerants.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen jeweils ein thermisches System eines Kraftfahrzeugs mit einem Klimagerät und einem Kältemittelkreislauf zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs:
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1 : mit einem als Verdampfer oder als Kondensator/Gaskühler betreibbaren ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, einem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie einem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie den Wärmeübertragern jeweils zugeordneten Expansionsorganen und einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, bei einem Betrieb -
2 : in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums, -
3 : in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, -
4 : in einem Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft, -
5 : in einem Wärmepumpenmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, -
6 : in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums, -
7 : in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, -
8 : in einem Nachheizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums sowie einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs gemäß7 mit zusätzlicher Übertragung von Wärme an die Umgebung, -
9 : in einem Abtaumodus des als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und -
10 : in einem Kühlmodus von Komponenten des Antriebsstrangs, -
11 : mit einem Kältemittelkreislauf ähnlich1 mit einem inneren Wärmeübertrager, welcher hochdruckseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels vor den Expansionsorganen der als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und niederdruckseitig nach dem als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist, -
12 : mit einem Kältemittelkreislauf ähnlich11 , wobei der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig derart eingebunden ist, dass das durch einen Bypass geleitete Kältemittel den inneren Wärmeübertrager umströmt, und -
13 : mit einem Kältemittelkreislauf ähnlich11 , wobei der innere Wärmeübertrager hochdruckseitig in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Expansionsorgan des als Verdampfer betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet ist.
Each show a thermal system of a motor vehicle with an air conditioner and a refrigerant circuit for conditioning the supply air for the passenger compartment and for cooling components of the drive train:
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1 with a operated as an evaporator or as a condenser / gas cooler first refrigerant-air heat exchanger, operated as an evaporator second refrigerant air heat exchanger and operated as an evaporator refrigerant refrigerant heat exchanger and the heat exchangers respectively associated expansion elements and a condenser / gas cooler operated third refrigerant-air heat exchanger, in one operation -
2 in a refrigeration mode for the supply air of the passenger compartment, -
3 in a passenger compartment supply chiller system and a powertrain cooling mode, -
4 in a heat pump mode for heating the supply air of the passenger compartment while absorbing heat from the ambient air, -
5 in a heat pump mode for heating the supply air of the passenger compartment as well as a cooling mode of components of the drive train, -
6 in a reheating mode for the incoming air of the passenger compartment, -
7 in a reheating mode for the supply air of the passenger compartment as well as a cooling mode of components of the drive train, -
8th in a preheat mode for the supply air of the passenger compartment and a cooling mode of components of the drive train according to7 with additional transfer of heat to the environment, -
9 in a defrost mode of operated as a condenser / gas cooler first refrigerant air heat exchanger and -
10 in a cooling mode of powertrain components, -
11 : similar to arefrigerant circuit 1 with an internal heat exchanger, which is arranged on the high pressure side in the flow direction of the refrigerant upstream of the expansion organs of the second refrigerant-air heat exchanger operated as an evaporator and refrigerant-refrigerant heat exchanger and low-pressure side after the operated as an evaporator second refrigerant-air heat exchanger -
12 : similar to arefrigerant circuit 11 , wherein the inner heat exchanger is integrated high pressure side such that the bypassed refrigerant flows around the inner heat exchanger, and -
13 : similar to arefrigerant circuit 11 , wherein the inner heat exchanger is arranged on the high pressure side in the flow direction of the refrigerant upstream of the expansion element of the operated as an evaporator second refrigerant-air heat exchanger.
Aus
Der Kältemittelkreislauf
The
Der erste Verdampfer
Der zweite Verdampfer
Die Expansionsorgane
The
The
Zwischen dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Der Kältemittelkreislauf
Nach einer alternativen Ausführungsform ist die Abzweigstelle
In an alternative embodiment, the branch point is
Der Kältemittelkreislauf
Dabei ist ein erster Druck-Temperatur-Sensor
Ein zweiter, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Ein dritter, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
Ein erster, in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Here is a first pressure-
A second, in the flow direction of the refrigerant after the first refrigerant-
A third, in the flow direction of the refrigerant after the refrigerant-
A first, in the flow direction of the refrigerant after the second refrigerant-
Die Komponenten des Antriebsstrangs werden mittels eines Wärmeübertragers
Das thermische System
The
In
Das Klimagerät
Ein von einem Gebläse
The
One from a
Mit dem Zusatzheizwärmeübertrager
In den
Die durch das Klimagerät
Das zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Im ersten Expansionsorgan
The by the
That between the third refrigerant-
In the
In
Im Unterschied zum Betriebsmodus nach
Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs wird zwischen dem Wärmeübertrager
Aus
Beim Durchströmen des zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Je nach vorherrschenden Bedingungen, insbesondere den Werten der Lufttemperaturen der Umgebung sowie im Fahrgastraum beziehungsweise dem Kühlbedarf der Komponenten des Antriebsstrangs, wird der Massenstrom des Kältemittels mit Hilfe der Stellungen der Expansionsorgane
Beim Betriebsmodus nach
Depending on the prevailing conditions, in particular the values of the air temperatures of the environment and in the passenger compartment or the cooling requirement of the components of the drive train, the mass flow of the refrigerant with the help of the positions of the
In operating mode after
Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach
Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans
The main difference of operating modes after
When flowing through the
Der Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Komponenten des Antriebsstrangs kann beispielsweise einerseits zum aktiven Kühlen der Batterie geschaltet sein. Andererseits kann der Kühlmittelkreislauf derart geschaltet sein, die Abwärme anderer elektronischer Komponenten, wie dem Elektromotor, der Leistungselektronik oder dem Ladegerät, als Wärmequelle zu nutzen.The coolant circuit for controlling the temperature of the components of the drive train may, for example, be connected on the one hand for active cooling of the battery. On the other hand, the coolant circuit may be switched to use the waste heat of other electronic components, such as the electric motor, the power electronics or the charger as a heat source.
In
Der wesentliche Unterschied der Betriebsmodi nach
Das zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Ein Teil der beim Durchströmen des ersten Verdampfers
The main difference of operating modes after
That between the third refrigerant-
Part of the flow through the
Alternativ kann das Druckniveau des Kältemittels innerhalb des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers
Im Unterschied zum Betriebsmodus nach
Unlike the operating mode after
Aus
Im Unterschied zum Betriebsmodus nach
Die Komponenten des Antriebsstrangs und die Zuluft für den Fahrgastraum dienen als Wärmequellen für den Kältemittelkreislauf. Dabei werden die jeweils aufzunehmenden Wärmemengen bedarfsabhängig beziehungsweise prioritätsgesteuert eingestellt. Je nach Verstellung der Expansionsorgane
Unlike the operating mode after
The components of the powertrain and the supply air for the passenger compartment serve as heat sources for the refrigerant circuit. In each case, the amounts of heat to be absorbed are set as required or priority-controlled. Depending on the adjustment of the
Das zwischen dem dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Das erste Expansionsorgan
Je nach Bedarf und Betriebsmodus kann mit einer Inbetriebnahme des Zusatzheizwärmeübertragers
That between the third refrigerant-
The
Depending on requirements and operating mode, commissioning of the additional heating heat exchanger can be carried out
In
Im Unterschied zum Betriebsmodus nach
Damit wird auch im dritten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs wird zwischen dem Wärmeübertrager
Unlike the operating mode after
This is also the third refrigerant-
The coolant of the coolant circuit is between the
Das thermische System
Die in den
Der innere Wärmeübertrager
Mit der Anordnung des inneren Wärmeübertragers
The
With the arrangement of the
In
Aus
Der innere Wärmeübertrager
Mit der Ausbildung des inneren Wärmeübertragers
With the formation of the
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1a, 1b, 1c1, 1a, 1b, 1c
- Systemsystem
- 2, 2a, 2b, 2c2, 2a, 2b, 2c
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 33
- Verdichtercompressor
- 44
- erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertragerfirst refrigerant-air heat exchanger
- 55
- zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, erster Verdampfersecond refrigerant-air heat exchanger, first evaporator
- 66
- erstes Expansionsorganfirst expansion organ
- 77
- erster Strömungspfadfirst flow path
- 88th
- Abzweigstellebranching point
- 99
- Mündungsstelleopening point
- 1010
- Rückschlagventilcheck valve
- 1111
- zweiter Strömungspfadsecond flow path
- 1212
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, zweiter VerdampferRefrigerant-refrigerant heat exchanger, second evaporator
- 1313
- zweites Expansionsorgansecond expansion organ
- 1414
- dritter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühlerthird refrigerant air heat exchanger, condenser / gas cooler
- 1515
- drittes Expansionsorganthird expansion organ
- 1616
-
Bypass-Strömungspfad erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 4Bypass flow path of the first refrigerant-
air heat exchanger 4 - 1717
- Abzweigstellebranching point
- 1818
- Mündungsstelleopening point
- 1919
- VentilValve
- 2020
- Rückschlagventilcheck valve
- 2121
- Akkumulatoraccumulator
- 22a,22b,22c22a, 22b, 22c
- Druck-Temperatur-SensorPressure-temperature sensor
- 23a, 23b23a, 23b
- Temperatur-SensorTemperature Sensor
- 24a,24b,24c24a, 24b, 24c
- innerer Wärmeübertragerinternal heat exchanger
- 2525
- Wärmeübertrager Komponenten AntriebsstrangHeat exchanger components powertrain
- 3030
- Klimagerätair conditioning
- 3131
- Gehäusecasing
- 3232
- Gebläsefan
- 3333
- LuftleiteinrichtungCowl
- 3434
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 3535
- ZusatzheizwärmeübertragerAdditional heating exchangers
- 3636
- zweiter Strömungskanal, Bypasssecond flow channel, bypass
- 37a37a
- Strömungsrichtung ZuluftFlow direction supply air
- 37b37b
- Strömungsrichtung UmgebungsluftFlow direction ambient air
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2018
- 2018-09-17 DE DE102018122675.6A patent/DE102018122675A1/en active Pending
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